BRPI0809167B1

BRPI0809167B1 - Inserto de corte revestido, e, método para formar um revestimento cerâmico de camadas múltiplas depositadas por cvd (deposição química de vapor) sobre um inserto de corte

Info

Publication number: BRPI0809167B1
Application number: BRPI0809167-6A
Authority: BR
Inventors: Marcel Elkouby; Gadi Greenman
Original assignee: Iscar Ltd
Priority date: 2007-04-01
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2022-04-12
Also published as: IL182344A; US7887935B2; BRPI0809167A2; WO2008120185A1; RU2009136033A; KR20100014705A; US20080240876A1; RU2456126C2; IL182344A0; EP1980649B1; EP1980649A1; DE602008002173D1; KR101274912B1; TW200841978A; EP1980649B2; JP2010523351A; CN101652502B; ATE478172T2; JP5269066B2; CN101652502A

Abstract

INSERTO DE CORTE REVESTIDO, E, MÉTODO PARA FORMAR UM REVESTIMENTO CERÂMICO DE CAMADAS MÚLTIPLAS DEPOSITADAS POR CVD (DEPOSIÇÃO QUÍMICA DE VAPOR) SOBRE UM INSERTO DE CORTE Um inserto de ferramenta de corte que tem um revestimento cerâmio de camadas múltiplas. O revestimento cerâmico de camadas múltiplas é uma estrutura estratificada de sub-camadas alternantes de um material de óxido e camadas interfaciais de um segundo material tendo boa adesão com o material de óxido. O revestimento de cerâmica é depositado através de deposição de vapor químico; cada camada interfacial depositada subseqüentemente servindo para terminar uma sub-camada de material de óxido depositada previamente e para servir como uma superfície para a deposição de uma sub-camada subseqüente de material de óxido. O segundo material é uma solução sólida pelo menos de um elemento do material de óxido em um material duro.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção é direcionada para sistemas melhorados de revestimento, e especialmente, mas não exclusivamente, para revestimentos espessos novos e métodos de fabricação dos mesmos, para a aplicação em substratos apropriados para a produção de ferramentas de corte, insertos e cabeças de corte substituíveis tendo propriedades melhoradas, como por exemplo, vida em trabalho mais longa.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[0002] Para a fresagem de peças de trabalho metálicas, através de corte, torneamento, moagem, perfuração e semelhantes, são utilizadas ferramentas de corte. Para assegurar que as lascas sejam removidas com eficiência da peça de trabalho, ao mesmo tempo assegurando vida longa de trabalho da ferramenta de corte, é requerido um inserto da ferramenta de corte que seja duro e resistente.

[0003] A dureza, no entanto, poderá ser correlacionada com a quebra. Sendo tanto duros como resistentes, os materiais compostos que consistem de partículas de cerâmica duras em uma matriz metálica, são escolhas muito populares para insertos. Foi desenvolvida uma quantidade de tais compostos metálicos de cerâmica ou ceramal. Os assim chamados metais duros ou carburetos cimentados, e especialmente, WC-Co, que consistem de cristalitos de carbureto de tungstênio em uma matriz de cobalto, são os materiais de escolha para a fabricação de insertos de ferramentas de corte para várias aplicações.

[0004] Os insertos removem as lascas e formatam a peça de trabalho, mas, elas próprias, são desgastadas no processo. O desgaste dos insertos de ferramentas de corte acontece nas suas superfícies de contato com a peça de trabalho, e geralmente pode ser atribuído à interação mecânica, química e térmica com a peça de trabalho.

[0005] O tempo de parada das ferramentas de corte, enquanto se substitui o inserto, geralmente é uma operação dispendiosa. Muita pesquisa é direcionada para se melhorar a resistência a desgaste de insertos através da aplicação de revestimentos duros. A dureza é uma medida da resistência à deformação plástica, e existe uma correlação entre a dureza e a resistência ao desgaste. Embora os revestimentos aumentem a resistência ao desgaste, com freqüência, eles são suscetíveis a modos catastróficos de falhas, tais como descascamento e semelhantes.

[0006] Os revestimentos poderão ser formados sobre os insertos através de uma faixa de tecnologias de revestimento que geralmente são classificadas como PVD (deposição física de vapor) ou CVD (deposição química de vapor).

[0007] A PVD oferece propriedades muito boas. O revestimento é somente uma linha de vista. Os revestimentos de PVD são caracterizados por tensões residuais de compressão de correntes do processo de deposição. Por causa do risco de falha do revestimento através de descascamento quando a espessura do revestimento aumenta, o PVD geralmente é limitado a revestimentos finos.

[0008] Os revestimentos CVD não são de linha de vista. Além disso, as temperaturas de deposição, tipicamente, são bastante mais elevadas do que aquelas das tecnologias PVD e isto facilita o desenvolvimento e de uma interface induzida por difusão entre o revestimento e o substrato, que permite que seja obtida uma boa adesão. Na realidade, a boa adesão é um dos requisitos críticos para o revestimento de insertos.

[0009] Além disso, existem alguns materiais e combinações de material- substrato que são práticas somente através de uma ou outra técnica de revestimento.

[00010] Durante mais de 40 anos, a CVD (deposição de vapor químico) tem sido utilizada para insertos de revestimento, dessa forma melhorando o seu desempenho na fresagem. Os revestimentos de TiN, TiC e TiC,N poderão ser depositados sobre substratos apropriados, através da reação do tetracloreto de titânio com outros gases, e a remoção dos cloretos gasosos assim formados: TiCl4 + N2 + H2 TiN + cloretos e outros gases. TiCl4 + CH4 + H2 TiC + cloretos e outros gases TiCl4 + N2 + CH4 + H2 TiCN + cloretos e outros gases. Os revestimentos de Al2O3 poderão ser produzidos de uma forma semelhante: Al + HCl + H2 AICI3 + H2; AlCl3 + H2 + CO2 + H2S Al2O3 + cloretos e outros gases, onde H2S serve como um catalisador; melhorando a velocidade de deposição e a uniformidade da espessura do revestimento de Al2O3.

[00011] Será visto que, ao longo dos anos, outras rotas de deposição de vapor químico se tornaram disponíveis para a deposição de TiN, TiC, TiCN e Al2O3, e as rotas acima utilizando cloreto de titânio e cloreto de alumínio são apresentadas somente para fins de exemplos não limitantes.

[00012] Na realidade, uma larga faixa de revestimentos duros, tais como vários carburetos, nitretos, óxidos, boretos e misturas dos mesmos poderão ser depositados através de uma ou outra das várias técnicas de PVD e/ou CVD. Na fresagem de materiais duros, tais como ferro fundido, por exemplo, são geradas temperaturas elevadas. Em tais temperaturas elevadas, vários materiais de revestimento, tais como os carburetos e nitretos são reativos, e poderão interagir com a peça de trabalho e/ou com os fluidos de resfriamento e o ar. O Al2O3 (alumina) é altamente resistente a produtos químicos e é muito duro. Em conseqüência, a alumina é um material de revestimento popular para o aumento da vida de insertos.

[00013] A patente européia de número EP1245700 para Ruppi intitulada "Enhanced Al2O3-Ti(C,N) Multi-Coating Deposited at Low Temperature" refere-se a um corpo revestido de carbureto cimentado, ceramal, cerâmica e/ou aço de alta velocidade, utilizado como uma ferramenta de corte de metal e tendo camadas múltiplas de K-A12O3 e/ou y-Al2O3 opcionalmente intercalado com camadas de carbo-nitreto de titânio (Ri(C,N) que pode também ser aplicado através de MTCVD.

[00014] Outros revestimentos de camadas múltiplas conhecidos que compreendem, tanto de camadas com base em Ti como camadas de Al2O3 podem ser encontrados nas seguintes referências: JP11269650A2, JP2000119855A2, JP2000107909A2, JP03122280A2, JP2000096235A2, JP2000096234A2, JP11347806A2, JP11310878A2, JP2002144109A2, JP2001062604A2, JP2000158208A2, JP2000158207A2, EP0594875A1, JP59025970A2, JP2005246596A2, JP2004188577A2, US6689450, JP2004299023A2, JP2004299021A2, JP2004188576A2, JP2004188575A2, J P 2000052130A2, JP11254208A2, JP11090737A2, JP11000804A2, JP10310878A2, JP10310877A2.

[00015] A alumina existe de várias formas. Alumina y e alumina K são fases metastáveis. Em vários cenários de fresagem, tais como uma fresagem interrompida em um torno, e quando se fresa sem um fluido de resfriamento, como por exemplo, insertos revestidos com alumina-a, verificou-se que funcionavam melhor do que aqueles revestidos com a alumina-y ou a alumina-K.

[00016] Do diagrama de fases da alumina, em temperaturas acima de 1050°C sob pressão standard, a alumina-y e a alumina-K se transformam no alótropo da alumina-a estável (corindo). Devido às propriedades de dispersão por calor pobres da alumina e às altas temperaturas geradas na fresagem, é provável que a superfície trabalhada alcance 1050°C. Em alguns processos de corte, especialmente na fresagem a seco, e nas pressões experimentadas na face trabalhada dos insertos, a transformação de fase provavelmente ocorrerá em temperaturas menores. A recristalização da superfície da alumina de um inserto durante os processos de fresagem poderá levar a um desgaste acelerado.

[00017] É também possível que em condições de alta temperatura- pressão experimentadas pelos insertos durante os processos de corte, onde não são incomuns temperaturas de 1000°C, e acontecem vários mecanismos, tais como deslizamentos, torções, deslizamentos das extremidades granuladas e possivelmente deformação difusa na Al2O3-a e isto permite uma ductilidade suficiente para evitar falhas de quebras. Ver "Nanoindentation Hardness, Microstructure and Wear Resistance of CVD α-alumina and K-Alumina Coatings" por Ruppi, Laarsson and Flink.

[00018] O processo de crescimento, a estrutura e as propriedades da camada depositada são controlados pelas condições de deposição, tais como a natureza e a temperatura do substrato e o conteúdo e as energias cinéticas do fluxo de gás. A fase de alumina α romboédrica que é o alótropo estável e é a mais dura das várias polimorfas, geralmente é obtida em temperaturas de deposição de 1000 - 1100°C. Ver, por exemplo, Prengel et al. Surface Coatings Technology, 68-69, 217 ( 1994), apesar da deposição a 580°C ter sido obtida por CVD auxiliada por plasma. Ver, Krylov et al., por exemplo em Appl. Phys. A 80 1657 (2004). Através do uso de um modelo apropriado (i.e., um substrato favorável), especificamente cromia, Andersson obteve a deposição da alumina α em temperaturas tão baixas quanto 280°C, através de bombardeamento por magnetrom reativo. Ver a tese de doutorado, "Controlling the Formation and Stability of Alumina Phases" por Jon Martin Andersson, Linkoping Universitet, Institute of Technology, Linkoping em 2005.

[00019] Revestimentos relativamente espessos de alumina α poderão ser depositados utilizando-se técnicas CVD. No entanto, tais revestimentos geralmente apresentam um crescimento de cristalitos direcionado através da espessura do revestimento, resultando em uma microestrutura de coluna que é algo suscetível à propagação de fraturas.

[00020] Uma técnica conhecida para se evitar o crescimento colunar na alumina K é interromper periodicamente a deposição da alumina K através da deposição de uma camada fina de um material diferente, depois da qual a deposição da alumina K poderá ser reiniciada. O TiN é um desses materiais que foi utilizado para interromper o crescimento da alumina K. Ver "Microstructure and Deposition Characteristics of K -Al2O3" S. Ruppi & A. Larsson Journal de Physique IV France 8 (1999), EuroCVD 12, Parte 8 350355.

[00021] Introduzindo-se periodicamente uma camada fina (0,1 μm a 1 μm) de TiN, o crescimento do cristal de alumina K pode ser evitado e uma nova camada de alumina pode ser nucleada. A alumina K resultante é quase que de eixos equivalentes e apresenta uma resistência significativamente melhor à propagação de fraturas do que a microestrutura colunar típica da alumina K de CVD.

[00022] Infelizmente, a técnica não produz bons resultados para insertos de corte e semelhantes, porque as camadas de alumina K -TiN tem uma adesão relativamente pobre, resultando em descascamento do revestimento, o que, na realidade, poderá resultar em um desgaste acelerado.

[00023] Existe portanto ainda a necessidade por revestimentos de alumina α espessos, de alta qualidade, que mostrem uma ductilidade elevada e uma baixa tendência, tanto à propagação de fraturas como ao descascamento, e a presente invenção enfoca esta necessidade.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[00024] Um objetivo da invenção é apresentar ferramentas de corte e insertos melhorados para ferramentas de corte, através de combinações novas de substrato-revestimento. Os insertos, daqui por diante, incluem insertos ou pontas ou bicos para a fresagem de metal, cabeças de corte, fresas com extremidade de carbureto sólido, e placas de corte que podem ser soldadas como um cartucho.

[00025] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é apresentado um revestimento cerâmico para um inserto: o revestimento cerâmico sendo uma estrutura estratificada composta de uma configuração de sub-camadas de um material de óxido alternado com camadas interfaciais de um segundo material tendo uma boa adesão com o material de óxido. O revestimento é depositado através de vapor químico. Cada camada interfacial depositada subseqüentemente serve para terminar uma sub-camada de material de óxido depositada previamente e serve como uma superfície para a deposição de uma sub-camada subseqüente de material de óxido. O segundo material das camadas interfaciais é composto por uma solução sólida de pelo menos um dos elementos da camada de material de óxido em um material duro.

[00026] Tipicamente, a camada interfacial é compreendendo uma solução sólida do material de óxido em um material duro selecionado do grupo que consiste de TiN, TiC e TiCN.

[00027] De preferência, o material de óxido é alumina e o segundo material da camada interfacial é selecionado do grupo composto de TiAlON, TiAlOC e TiAlOCN.

[00028] De preferência, o material de óxido é Al2O3 e a camada interfacial é TiAlOCN.

[00029] Mais de preferência, o material de óxido é Al2O3-α.

[00030] Uma característica específica das estruturas preferidas de revestimento da invenção, é que o crescimento de cada camada da sub- camada do material de óxido é presa pela deposição da camada interfacial antes do desenvolvimento de uma estrutura colunar.

[00031] De acordo com outro aspecto da invenção, um revestimento de camadas múltiplas compreendendo o revestimento cerâmico de camadas múltiplas depositadas por CVD sobre o substrato e uma camada inferior de um primeiro material duro antes da camada de cerâmica.

[00032] Tipicamente, o primeiro material duro da camada de revestimento inferior é selecionado do grupo que consiste de TiC, TiCN e TiN.

[00033] Tipicamente, a camada de revestimento inferior tem uma espessura na faixa de 2 μm a 15 μm.

[00034] Tipicamente, uma camada de ligação é colocada entre a camada de revestimento inferior e a estrutura estratificada.

[00035] Opcionalmente, a camada de ligação é compreendendo um dos: (a) uma camada de TiOCN; (b) uma camada de TiAlOCN; (c) uma camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN, e (d) uma estrutura em sanduíche composta de uma primeira camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN seguida por uma segunda camada de TiOCN.

[00036] Onde o primeiro material duro da camada de revestimento inferior compreendendo TiCN depositado sobre um substrato de carbureto cimentado com tungstênio, de preferência, uma camada base, como TiN, é depositado sobre a superfície do substrato antes da deposição da camada de revestimento inferior para evitar a descarburização da superfície do substrato.

[00037] Tipicamente, a camada base tem uma espessura entre 0,1 μm e 1,5 μm.

[00038] O revestimento de cerâmica tipicamente é depositado sobre um substrato selecionado do grupo que consiste de metais duros, ceramais, aços de alta velocidade e cerâmicas.

[00039] Opcionalmente, uma camada externa de TiN é colocada sobre o revestimento cerâmico.

[00040] Opcionalmente, a camada externa de TiN é removida seletivamente das faces trabalhadas.

[00041] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é apresentada: um inserto de ferramenta de corte composto de um substrato de carbureto cimentado com tungstênio e um revestimento de camadas múltiplas composto de: (a) uma camada base de TiN; (b) uma camada de revestimento inferior de TiCN; (c) uma camada de ligação compreendendo uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN; (d) um revestimento cerâmico tendo uma estrutura estratificada composta de sub-camadas de Al2O3-a alternadas com camadas interfaciais de TiAlOCN.

[00042] Opcionalmente, é fornecida uma outra camada de TiN sobre a superfície externa de um inserto.

[00043] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é apresentada uma camada de ligação para auxiliar a ligação de uma camada de CVD Al2O3-a sobre uma camada de revestimento inferior de um primeiro material duro selecionado do grupo que consiste de TiN, TiC e TiCN, onde a camada de ligação é selecionada do grupo que consiste de: (a) TiOCN; (b) TiAlOCN; (c) uma camada dupla composta de TiOCN seguida por TiAlOCN e (d) uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN.

[00044] De acordo com a presente invenção, é também apresentado um método de formação de um revestimento cerâmico CVD de camadas múltiplas depositadas sobre um inserto de corte tendo um substrato, o método sendo compreendendo:

[00045] deposição, sobre o referido substrato, de camadas alternantes de um material de óxido e uma camada interfacial aderida no material de óxido sobre o referido substrato, onde a camada interfacial é compreendendo uma solução sólida pelo menos de um elemento do material de óxido em um material duro.

[00046] O método poderá compreender a deposição da camada interfacial sobre uma camada de óxido imediatamente anterior ao desenvolvimento de uma estrutura colunar na referida camada de óxido imediatamente anterior.

[00047] Se desejado, a deposição da camada interfacial sobre uma camada de óxido imediatamente anterior serve como uma superfície para a deposição de uma camada de óxido subseqüente.

[00048] O método poderá ainda ser compreendendo:

[00049] deposição de uma camada base sobre o substrato;

[00050] deposição de uma camada de revestimento inferior sobre a camada base, a camada de revestimento inferior compreendendo um material duro;

[00051] deposição de uma camada de ligação sobre a camada de revestimento inferior e por baixo das referidas camadas alternantes de um material de óxido e uma camada interfacial.

[00052] De acordo com algumas realizações do método:

[00053] a camada base compreende TiN;

[00054] a camada de revestimento inferior é selecionada do grupo que consiste de TiC, TiCN e TiN; a camada de ligação é compreendendo uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN;

[00055] O material de óxido é compreendendo Al2O3-a; e

[00056] a camada interfacial compreende TiAlOCN.

[00057] se desejado, o método é ainda composto de:

[00058] deposição de uma camada externa de TiN sobre o revestimento cerâmico de camadas múltiplas.

[00059] Também, se desejado, o método é compreendendo:

[00060] remoção seletiva da referida camada externa das faces trabalhadas do inserto de corte.

[00061] É também apresentado um método de tratamento de um inserto de corte tendo uma camada de revestimento inferior composta de um material duro, na preparação para a deposição subseqüente por CVD de uma camada de Al2O3-a, o método sendo compreendendo:

[00062] formação de uma camada de ligação sobre a camada de revestimento inferior antes da deposição da camada por CVD de Al2O3-a, onde a camada de ligação é uma do grupo que consiste de: (a) uma camada de TiOCN; (b) uma camada de TiAlOCN; (c) uma camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN; e (d) uma estrutura em sanduíche compreendendo uma primeira camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN seguida por uma segunda camada de TiOCN.

[00063] De acordo com algumas realizações, o método é composto de: formação de uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN.

[00064] Se desejado, o método é compreendendo: formação da referida camada de ligação por CVD de tal forma que a referida camada de ligação tenha uma espessura total entre 0,1 μm e 1,0 μm.

[00065] O material referido aqui como TiAlOCN é uma solução sólida de átomos de Al e O dentro do TiCN. Da mesma forma, o material referido aqui como TiAlON e TiAlOC são soluções sólidas de átomos de Al e O dentro de TiN e TiC, respectivamente.

[00066] Será visto que os materiais descritos aqui como TiN, TiC, TiCN e semelhantes, não necessariamente são estequiométricos. Na realidade, somente onde os subscritos são apresentados, como para a Al2O3, pode ser considerado que são indicadas as proporções relativas.

[00067] TiOCN refere-se a uma família genérica de materiais com proporções largamente diferentes de oxigênio, carbono e nitrogênio.

[00068] TiAlOCN também se refere a uma família genérica de materiais com proporções largamente diferentes de oxigênio, carbono e nitrogênio. Além disso, o teor de alumínio poderá variar consideravelmente. Além disso, a microestrutura do revestimento não está totalmente caracterizada, e poderá incluir inclusões da segunda fase dentro da estrutura cristalina ou ao longo das extremidades dos cristalitos.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[00069] Para um melhor entendimento da invenção e para mostrar como ela pode ser executada, será agora feita referência, puramente para fins de exemplo, aos seguintes desenhos anexos.

[00070] Com referência específica agora aos desenhos em detalhes, é enfatizado que as partículas mostradas são para fins de exemplo e que são somente para fins de discussão ilustrativa das realizações preferidas da presente invenção, e são apresentadas com a finalidade de fornecer o que acredita-se que sejam a descrição mais útil e mais rapidamente entendível dos princípios e aspectos conceituais da invenção. A este respeito, não é feita nenhuma tentativa para mostrar detalhes estruturais da invenção em maiores detalhes do que é necessário para um entendimento fundamental da invenção; a descrição, em conjunto com os desenhos, faz com que fique aparente para aqueles adestrados na técnica, como as várias formas da invenção poderiam ser unidas na prática. Nos desenhos anexos:

[00071] A figura 1 é uma seção em corte esquemática das camadas de revestimento de um inserto de acordo com uma realização da invenção; A figura 1A detalha um inserto de corte revestido tendo um formato genérico, o revestimento estando de acordo com a presente invenção; A figura 2 é uma microfotografia SEM mostrando uma seção em corte através de um revestimento de experiência de acordo com a presente invenção; e A figura 3 é um espectro de difração de raios X mostrando as fases cristalinas identificadas dentro do revestimento. TABELAS

[00072] A tabela 1 resume a temperatura, pressão e composições da fase gasosa durante a deposição do revestimento da experiência mostrado na figura 2.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[00073] Existe uma quantidade de técnicas CVD disponíveis para a deposição de Al2O3 (também conhecido como óxido de alumínio, corindo, e alumina).

[00074] O vapor tipicamente é composto de gases voláteis que reagem quimicamente sobre o substrato, depositando a Al2O3; Os outros produtos da reação são produtos químicos em fase gasosa que são transportados para fora. Utilizando-se o CVD térmico convencional, o Al2O3 requer uma temperatura acima de 1000°C para a sua deposição. O CVD plasma permite que tais revestimentos sejam depositados em temperaturas abaixo de 900°C. Neste processo, os compostos químicos são decompostos e reagem ao mesmo tempo utilizando descarga de plasma e aquecimento. Como resultado, poderão ser gerados sobre a superfície do substrato filmes de alumina muito pura. O processo CVD utilizado convencionalmente para Al2O3 envolve o reagente corrosivo AlCl3. A utilização de uma mistura gasosa de AlCl3/CO2/H2 em baixa pressão tende a resultar em crescimento colunar ao invés de um revestimento com eixos equivalentes. A mistura gasosa de AlCl3/CO2/H2 na pressão atmosférica poderá levar ao crescimento de cristalitos grandes.

[00075] O tri-isopropoxido de alumínio é outro precursor que poderá ser utilizado para a deposição de alumina-a. Outra rota inclui o bombardeamento reativo de alvos de alumínio em plasma de argônio-oxigênio.

[00076] O acetil acetonato de alumínio também tem sido utilizado como o precursor para a deposição de vapor químico em metal de alumina na pressão atmosférica, ver "MOCVD of Aluminum Oxide Barrier Coating" por Jun C. Nable et al. J. Phys. IV France 12 (2002) Pr 4-139.O tris-tetrametil- heptadionato de alumínio [Al(thd)3] e o tris-acetilacetonato de alumínio [Al(acac)] também têm sido utilizados para o CVD de filmes de Al2O3.

[00077] Ver "Diketonates as Precursors MOCVD of Aluminum Oxide Films Using Aluminium", por A. Devi, S.A. Shivashankar e A.G. Samuelson.

[00078] Ainda outra rota é a pirólise do precursor acetil acetonato de alumínio, a qual poderá ser executada em temperaturas relativamente baixas, digamos, de 435 - 550°C, para depositar um filme fino de alumina.

[00079] Em altas temperaturas, o crescimento do cristalito é favorecido em relação à nucleação e a deposição de alumina-a através de processos CVD tende a resultar em uma estrutura de cristalito colunar relativamente grossa, caracterizada por extremidades agudas entre cristais adjacentes e uma ligação inter-cristalina fraca. Em conseqüência, tais revestimentos de alumina-a tendem a ser suscetíveis à propagação de fraturas através da espessura do revestimento. A temperatura de deposição não é o único parâmetro que afeta o crescimento do cristalito e as velocidades de nucleação, e outros parâmetros, tais como as pressões parciais dos reagentes, a temperatura do substrato, ou o uso de H2S ou outro catalisador, poderão influenciar a microestrutura resultante e a sua manipulação produz um meio de se controlar as características dos revestimentos assim formados.

[00080] Uma característica específica das realizações preferidas da presente invenção conforme descrito aqui abaixo, é um revestimento de camadas múltiplas de alumina-a, bem ligadas, espessas, tendo uma microestrutura fina de cristalitos de eixos equivalentes. Isto é obtido através das deposição alternante de sub-camadas de alumina ou estratos de camadas interfaciais de um segundo material tendo uma boa adesão com a sub-camada de alumina-a, como por exemplo ,TiAlOCN, TiAlON, ou TiAlOC, considerada como sendo uma solução sólida de alumina em TiOCN, TiON, ou TiOC, respectivamente. A segunda camada é depositada através da deposição de vapor químico de uma mistura de TiCl4, AlCl3, N2, CH4, H2, CO2 e H2S. Desta forma, a deposição de alumina-a é periodicamente interrompida pela deposição de camadas muito finas do segundo material, que interrompe tanto o crescimento do cristalito de alumina-a do estrato anterior como produz sítios para a nucleação de cristais novos de alumina α no novo estrato e é construída uma estrutura de camadas múltiplas de alumina α. Assim sendo, a camada interfacial do segundo material é formada sobre uma camada de óxido de alumina-a imediatamente precedente antes do desenvolvimento de uma estrutura colunar na referida camada de óxido de alumina-a imediatamente precedente. O desenvolvimento do crescimento de alumina-a colunar espessa, direcionada, é dessa forma evitado, o que reduz significativamente a suscetibilidade do revestimento cerâmico à propagação de fraturas.

[00081] De forma diferente do sistema descrito na US 20020176755A1 e a maioria dos outros revestimentos de alumina resistentes a desgaste, será verificado que o sistema de revestimento das realizações preferidas é relacionado com a alumina-a e não com o A12O3-K ou Al2O3 y. Será verificado que, além de ser o alótropo estável, a alumina-a é também o alótropo mais denso (densidade de cerca de 4 g/cm3 ao contrário de cerca de 3,6 - 3,8 g cm/m3 para outros alótropos). Descobriu-se que no regime de pressão-temperatura encontrado durante as operações de fresagem, a alumina α provou ser mais resistente do que os outros alótropos, e é capaz de se deformar plasticamente para aliviar a tensão. Adicionalmente, descobriu-se que as camadas interfaciais do segundo material auxiliam a assegurar uma boa ligação interfacial com a alumina, produzindo uma integridade elevada do revestimento. Acredita-se que a camada interfacial do segundo material produz uma densidade elevada de sítios para a nucleação de cristais novos de Al2O3, dessa forma resultando em um grande número de cristais pequenos. Acredita-se também que a presença de ambos Al e O nas camadas intermediárias do segundo material produz uma ligação química do Al e do O no Al2O3 e também produz sítios de nucleação que encorajem uma grande densidade de cristalitos de alumina que encorajem o crescimento de cristalitos pequenos.

[00082] Com referência agora à figura 1, é mostrada uma seção em corte esquemática das camadas de revestimento de um inserto 10. Conforme visto na figura 1A, o inserto 10 consiste de um corpo não revestido ou substrato 12 e um revestimento de camadas múltiplas 14. O corpo 12 poderá ser fabricado de uma liga de aço de alta velocidade contendo, além de ferro e carbono, por exemplo, quantidades variadas de metais refratários, tais como cromo, tungstênio, molibdênio e titânio. Alternativamente, o corpo 12 poderá incluir uma cerâmica como um composto capilar, como Si3N4, Al2O3, Al2O3/TiC, SiAlON, Al2O3/SiC, e semelhantes. Mais comumente, o corpo 12 é um composto do tipo ceramal, como TiC ou TiN em um aglutinante metálico. No entanto, mais comumente, o corpo 12 é o assim chamado material composto do tipo carbureto cementado de metal duro, como o carbureto de tungstênio (WC) e carburetos adicionais cementados por uma matriz metálica, com freqüência, cobalto (Co) daqui por diante referido como carbureto de tungstênio cementado. Os carburetos cementados são descritos na página 321 em "Tungsten Properties, Chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds", publicado pela Kluwer Academic/Plenum Publishers em 1999. O corpo não revestido 12 poderá ser qualquer das composições conhecidas mencionadas anteriormente e será referido aqui, daqui por diante, como o substrato 12.

[00083] Tipicamente, o substrato 12 será preparado através de desengraxamento, jato de areia e limpeza em um banho ultra-sônico antes da deposição do revestimento de camadas múltiplas 14 sobre o mesmo.

[00084] O revestimento de camadas múltiplas 14 é composto de uma camada de revestimento inferior relativamente espessa 16 de um primeiro material duro. A camada de revestimento inferior 16 tipicamente tem uma espessura de 4 μm a 15 μm e é especialmente boa para resistir a desgaste nos lados e no nariz. Uma camada base opcional final 18 (0,1 μm a 1,5 μm), tipicamente TiN, geralmente é depositada antes da camada de revestimento inferior 16. A camada base 18 permite que o inserto 10 seja submetido às condições CVD relativamente severas que poderiam ser requeridas para a deposição da camada de revestimento inferior 16 sem a descarburização do substrato 12 da mesma, dessa forma minimizando a formação das fases quebradiças, indesejáveis (M12C, M6C, onde M é Co e W) sendo formada próximo da superfície do substrato 12.

[00085] Uma camada de ligação fina 20 (0,1 μm a 1 μm) é depositada sobre a camada de revestimento inferior 16. A camada de ligação 20 poderá ser uma estrutura em sanduíche consistindo de uma camada de ligação interna de TiAlOCN 22 em sanduíche entre uma camada de ligação do fundo e uma camada de ligação do topo de TiOCN, 24, 26, respectivamente.

[00086] O TiCON poderá ser depositado por várias rotas. Por exemplo: TiCl4 + N2 + H2 + CH4 + CO2 TiCON + cloretos e outros gases.

[00087] O TiAlOCN poderá também ser depositado por várias rotas. Por exemplo: TiCl4 + N2 + H2 + CH4 + CO2 + AlCl3 TiAlOCN + cloretos e outros gases.

[00088] Um revestimento de cerâmica espesso 28 é depositado sobre a camada de ligação 20. O revestimento cerâmico 28 tem uma estrutura estratificada de camadas 30 de Al2O3-α com as camadas interfaciais 32. Primeiramente, é depositada uma primeira camada de óxido 30A. Acredita-se que devido à camada de ligação de topo 26 de TiOCN a camada de óxido 30A é depositada com uma densidade elevada de cristalitos e portanto um tamanho de cristalito pequeno, e é bem ligada na camada de ligação 20.

[00089] A camada interfacial 32 é um segundo material que é uma solução sólida de oxigênio e alumínio em uma matriz de TiCN, TiC ou TiN. É feita a hipótese de que a ligação excelente da camada de óxido 30 com a camada interfacial 32 resulta da interação entre o Al e o O na camada interfacial 32 e na camada de óxido 30 pela camada interfacial 32, produzindo um espaçamento de treliça mais apropriado, e possibilidades de ligação química mais compatíveis para a nucleação da camada de óxido 30 na mesma.

[00090] Se for permitido o crescimento não obstruído, os cristalitos da camada de óxido 30 tipicamente serão grandes e colunares. Em alguns casos, eles poderão também ter uma orientação preferida. No entanto, na realização atual, uma primeira camada interfacial 32A muito fina, de TiAlOCN, por exemplo, é depositada sobre a primeira camada de óxido 30A. A primeira camada interfacial 32A finaliza o crescimento do cristalito da primeira camada de óxido 30A, e, acredita-se, fornece sítios novos para a nucleação e o crescimento de cristalitos nos quais pode ser depositada uma segunda camada de óxido 30B. Uma segunda camada interfacial muito fina 32B poderá então ser depositada sobre a mesma.

[00091] Alternando-se as camadas de óxido 30 com as camadas interfaciais 32, um revestimento de cerâmica espesso 28 tendo um tamanho pequeno de cristalitos de eixos eqüidistantes poderá ser desenvolvido por CVD. Cada camada interfacial 32 impede o crescimento do cristalito da camada de óxido 30 anterior e possivelmente também produz uma alta densidade de sítios para a nucleação de cristais cerâmicos novos no mesmo.

[00092] Será visto que é encontrada uma melhoria na dureza e na resistência a desgaste da maior parte dos materiais com uma redução no tamanho do cristalito devido ao efeito Hall-Petch. Adicionalmente, e mais significativamente, a renucleação continua evita o crescimento de cristais colunares espessos, direcionados, e portanto reduz significativamente a suscetibilidade à propagação de fraturas do revestimento cerâmico assim formado.

[00093] O número preferido de camadas de óxido 30 e de camadas interfaciais 32 dentro de um revestimento cerâmico 28 depende do critério de projeto para cada aplicação específica. Acredita-se que até um certo ponto, a composição da camada interfacial 32, especialmente, o teor de Al e de O dentro da camada interfacial de solução sólida 32, determina o tamanho do cristalito. Será visto que apesar da composição da camada interfacial 32 ser afetada pelas pressões parciais das espécies reativas, ela não é determinada de uma forma simples, e a concentração dos vários elementos no revestimento, invariavelmente, será diferente da sua concentração dos gases reativos.

[00094] Em uma realização preferida, o substrato 12 é carbureto de tungstênio cementado e o primeiro material duro da camada de revestimento inferior 16 é TiCN que é especialmente bom em relação a redução do desgaste dos lados e do desgaste da cratera. Para evitar a descarburização do substrato 12, que de outra forma levaria à formação das fases através das condições severas de processamento requeridas para a deposição da camada de revestimento inferior de TiCN 16, uma camada base 18, de preferência, é fornecida embaixo da mesma. Descobriu-se que o TiN é uma opção apropriada para a camada base 18 para este fim e é bem estabelecida na técnica.

[00095] A camada de ligação 20 é depositada entre a camada de revestimento inferior de TiCN 16 e o revestimento cerâmico 28, que é composto de camadas alternantes de óxido Al2O3-a 30 e camadas interfaciais TiAlOCN 32 depositadas alternadamente (30A, 32A, 30B, 32 B, 30 C, 32 C...).

[00096] O uso de TiAlOCN para as camadas interfaciais 32A, 32B, 32C... promove a nucleação das camadas de óxido Al2O3-α 30B, 30C, 30D... e assim por diante. Descobriu-se que as camadas de óxido Al2O3-α 30A, 30B, 30C... e as camadas interfaciais TiAlOCN 32A, 32B... têm uma adesão excelente.

[00097] O número de camadas de óxido 30 e das interfaciais 32 variará, dependendo da espessura do revestimento cerâmico 28 desejado. Em geral, variando-se a temperatura de operação e/ou as pressões parciais dos gases de processo e a atividade da camada base 18 e especificamente, a superfície superior da mesma, a nucleação do óxido 30 poderá ser favorecida em detrimento do crescimento do cristalito e resultará um tamanho de cristalito menor. Acredita-se também que as camadas de óxido Al2O3-α 30A, 30B, 30C são quase totalmente de eixos equivalentes, ou muito menos direcionadas do que o crescimento cristalino colunar resultante do crescimento contínuo de CVD Al2O3-a.

[00098] De forma útil, para se produzir um acabamento atrativo, a camada externa 34 poderá ser depositada sobre o revestimento 14 descrito aqui acima. O TiN poderá ser utilizado para este fim, dessa forma produzindo um acabamento dourado atrativo, conforme é conhecido. Opcionalmente, a camada externa 34 de TiN poderá ser removida pelo menos de uma face da incidência de um inserto.

Exemplo 1

[00099] Para fins de prova de conceito, com referência à figura 2, é mostrada uma microfotografia SEM de uma seção em corte de um inserto 100 compreendendo um substrato 112 e um revestimento de camadas múltiplas 114 de acordo com uma realização preferida da invenção. Na parte inferior da imagem, é mostrado o substrato 112 de carbureto de tungstênio cementado. Os cristais angulares de carbureto de tungstênio possuem um tamanho médio de cristalito em torno de 1 μm. O revestimento de camadas múltiplas 114 é compreendendo um revestimento base fino de TiN 118 de cerca de 1 μm. No topo do revestimento base de TiN 118, foi depositado um revestimento inferior relativamente espesso de cerca de 7 μm da camada de revestimento inferior colunar de TiCN 116. Em cima da mesma é depositada uma camada de ligação 120. O sistema de camada de ligação 120, na realidade, é uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN, mas por causa da interdifusão, existe um contraste pobre e as sub-camadas diferentes não estão incluídas na microfotografia SEM.

[000100] É mostrado um revestimento cerâmico espesso estratificado 128 de sub-camadas alternantes de óxido Al2O3-α 130A, 130B, e 130C com espessura de aproximadamente 1 μm que se alternam com as camadas interfaciais de TiAlOCN 132A, 132B, 132 C com espessura de aproximadamente 0,1 μm. Assim sendo, a relação de espessura entre o óxido e a camada interfacial é da ordem de 10. Esta relação pode ter outros valores, mas de preferência, está entre 7 e 15. Também pode ser vista uma camada externa de TiN 134 com a espessura de aproximadamente de 0,5 μm.

[000101] A temperatura, a pressão e as vazões dos gases usados para a deposição de vapor químico são mostrados na tabela 1. Estes detalhes apresentam uma descrição completa exeqüível para a produção de uma realização preferida da invenção.

[000102] O revestimento mostrado na figura 2 foi examinado através de difração de raios X (XRD) utilizando-se raios X de uma fonte de Cu-Kα. Na figura 3, é mostrado o espectro de difração de raios X. Conforme é bem conhecido na técnica, o eixo vertical é o número de contagens por segundo de fótons recebidos por um detector de raios X, e o eixo horizontal (2θ) é o ângulo de difração (no qual é ajustado o detector) e onde θ é o ângulo de incidência dos raios X. Todos os tipos principais são marcados como se segue: 1 é Al2O3-α; 2 é TiN; 3 é TiCN(MT); e 4 é WC. Conforme é claramente mostrado, as camadas de óxido são na realidade Al2O3-a e não outros alótropos. Além disso, com base na verticalidade dos picos e no ruído traseiro relativamente baixo, pode ser visto que o revestimento tem só uma estrutura cristalina com tamanho de cristal de mais de 100 nm.

[000103] Os exemplos 2-4 exemplificam as vantagens dos insertos de grau A (i.e., insertos que foram revestidos de acordo com a apresentação) que foram testadas com condições idênticas, juntamente com os insertos de grau B (i.e., insertos revestidos com um revestimento conhecido da técnica anterior). Os detalhes do revestimento com o inserto da técnica anterior de grau B da camada mais interna até a camada externa é como se segue: uma camada mais interna de TiN com espessura de aproximadamente 0,6 μm seguida por uma segunda camada espessa de TiCN MT com a espessura de aproximadamente 6 μm com cristalitos colunares utilizando a técnica MTCVD. A terceira camada é de TiN com espessura de aproximadamente 0,15 μm e a quarta camada é de TiC com espessura de aproximadamente 0,3 μm. A quinta camada é de TiOCN com espessura de aproximadamente 0,1 μm e a sexta camada é de Al2O3-α com espessura de camada de aproximadamente 3 μm. A camada externa de topo é de TiN com espessura de aproximadamente 0,8 μm.

[000104] Estes exemplos são resumidos na forma de tabelas.

[000105] Apesar das combinações de material de uma realização preferida serem apresentados aqui acima, outros materiais e combinações são possíveis e outros elementos de liga poderão ser substituídos.

[000106] Assim sendo, o escopo da presente invenção é definido através das reivindicações anexas e inclui ambas as combinações e sub- combinações das várias características descritas aqui acima, assim como as variações e modificações das mesmas, que ocorreriam às pessoas adestradas na técnica após a leitura da descrição mencionada anteriormente.

[000107] Nas reivindicações, a palavra "compreender", e variações da mesma, tais como "compreende", "compreendendo" e semelhantes, indicam que os componentes listados são incluídos, mas não geralmente excluindo outros componentes.

Claims

1. Inserto de corte revestido (10), caracterizado pelo fato de compreender um substrato (12) e um revestimento cerâmico de camadas múltiplas depositadas por CVD (28) sobre o substrato (12), o revestimento cerâmico de camadas múltiplas (28) compreendendo: camadas alternantes de α-Al2O3 (30) e camadas interfaciais (32) aderidas umas às outras, em que: as camadas interfaciais (32) são um material selecionado do grupo consistindo de TiAlON e TiAlOCN.

2. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do revestimento cerâmico de camadas múltiplas (28) compreender pelo menos de cinco camadas, que incluem três camadas do α- Al2O3 (30) alternadas com duas camadas da camada interfacial (32).

3. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: a camada interfacial (32) é de TiAlOCN.

4. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ter: uma relação de espessura da camada de α-Al2O3 (30) a uma espessura de uma camada interfacial (32) entre 7 e 15.

5. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: uma camada de revestimento inferior (16) entre o substrato (12) e o revestimento cerâmico (28), a camada de revestimento inferior (16) compreendendo um material duro selecionado do grupo consistindo de TiC, TiCN e TiN.

6. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de: a camada de revestimento inferior (16) ter uma espessura na faixa de 2 μm a 15 μm.

7. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: uma camada de ligação (20) entre a camada de revestimento inferior (16) e o revestimento cerâmico (28).

8. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de: a camada de ligação (20) é uma do grupo que consiste de: (a) uma camada de TiOCN; (b) uma camada de TiAlOCN; (c) uma camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN; e (d) uma estrutura em sanduíche compreendendo uma primeira camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN seguida por uma segunda camada de TiOCN.

9. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender: uma camada base (18) entre o substrato (12) e a camada de revestimento inferior (16).

10. Inserto de corte (10) revestido de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de: a camada base (18) compreender TiN.

11. Inserto de corte (10) revestido de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de: a camada base (18) ter uma espessura entre 0,1 μm e 1,5 μm.

12. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente: uma camada externa (34) de TiN por cima do revestimento cerâmico de camadas múltiplas (28).

13. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de: a camada externa (34) de TiN estar ausente das faces de incidência do inserto de corte.

14. Inserto de corte revestido (10) de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de: a camada base (18) compreender TiN. a camada de revestimento inferior (16) ser selecionada do grupo que consiste de TiC, TiCN e TiN; a camada de ligação (20) ser compreendendo uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN; a camada interfacial (32) é composta de TiAlOCN.

15. Método para formar um revestimento cerâmico de camadas múltiplas depositadas por CVD (Deposição de Vapor Química) (28) sobre um inserto de corte (10) tendo um substrato (12), como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender: deposição, sobre o substrato (12), de camadas alternadas de α- Al2O3 (30) e camadas interfaciais (32) aderidas umas às outras, onde as camadas interfaciais (32) são selecionadas do grupo consistindo de TiAlON e TiAlOCN;

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender: deposição da camada interfacial (32) sobre uma camada de α- Al2O3 (30) imediatamente precedente antes do desenvolvimento de uma estrutura colunar na camada de α-Al2O3 (30) imediatamente precedente.

17. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato da: deposição da camada interfacial (32) sobre uma camada de α- Al2O3 (30) serve como uma superfície para deposição de uma camada de α- Al2O3 (30).

18. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de compreender: deposição de uma camada base (18) sobre o substrato (12); deposição de uma camada de revestimento inferior (16) sobre a camada base (18); deposição de uma camada de ligação (20) sobre a camada de revestimento inferior (16) e abaixo das camadas alternantes de α-Al2O3 (30) e a camada interfacial (32).

19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de: a camada base (18) compreender TiN; a camada de revestimento inferior (16) ser selecionada do grupo que consiste de TiC, TiCN e TiN; a camada de ligação (20) é um do grupo consistindo de: (a) uma camada de TiOCN; (b) uma camada de TiAlOCN; e (c) uma camada de TiOCN seguida por uma camada de TiAlOCN; e (d) uma estrutura em sanduíche de TiOCN, TiAlOCN e TiOCN; a camada interfacial (32) ser composta de TiAlOCN.

20. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de compreender: deposição de uma camada externa (34) de TiN sobre o revestimento cerâmico de camadas múltiplas (28).

21. Método de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de compreender: remoção seletiva da camada externa (34) de TiN das faces de incidência do inserto de corte.